River Research and Applications

Khi sự phát triển đô thị gia tăng, có nhu cầu ngày càng cao trong việc hiểu và dự đoán hành vi của các dòng sông nhằm tập trung vào nỗ lực phục hồi và bảo vệ hệ thống sông tự nhiên trong khi vẫn bảo tồn hạ tầng đô thị. Các phương pháp đánh giá dòng chảy đã được xem xét để chứng minh sự cần thiết của một phương pháp dựa trên vật lý và khách quan mà cũng dễ dàng tiếp cận về thời gian, yêu cầu dữ liệu và chuyên môn. Trường hợp của Highland Creek gần Toronto, Canada được sử dụng để minh họa một loại phương pháp đánh giá dòng chảy ban đầu mới dựa trên khái niệm công suất dòng chảy và được thực hiện hoàn toàn trong một hệ thống thông tin địa lý sử dụng thông tin từ mô hình độ cao kỹ thuật số (DEM). Kết quả từ phân tích này được kiểm tra so với thông tin hiện có cho Highland Creek, bao gồm mô hình thủy lực (Hệ thống Phân tích Sông của Trung tâm Kỹ thuật Thủy lực), độ dốc đo tại hiện trường, ảnh hàng không và những ảnh hưởng hình thái học của một trận lũ cực đoan. Thêm vào đó, kết quả được trình bày dưới dạng bản đồ để chứng minh hiệu quả của việc hình dung phân bổ công suất dòng chảy trên toàn lưu vực và cũng là tính hữu ích của việc chồng công suất dòng chảy lên các thông tin khác hiện có. Các độ dốc được trích xuất từ DEM được tìm thấy là tương đương về mặt thống kê với các độ dốc từ mô hình thủy lực một chiều và độ dốc đo tại hiện trường. Các đỉnh khác nhau của độ dốc cũng như vị trí của cực đại và cực tiểu công suất dòng chảy được phát hiện có tương quan với các đặc điểm kênh thực tế như quan sát được trong ảnh hàng không. Sự kiện lũ cực đoan tháng 8 năm 2005 đã gây ra sự thay đổi mạnh mẽ trong hình dạng kênh tại vị trí chính xác của năng lượng tối đa mà mô hình công suất dòng chảy dự đoán dựa trên DEM. Trường hợp của Highland Creek minh họa cách tiếp cận này mang lại kết quả hữu ích cho việc hiểu động lực học và sự ổn định của dòng chảy như một phần của quá trình đánh giá dòng chảy. Bản quyền © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Chúng tôi đã khảo sát cách mà các đập do hải ly gây ra ảnh hưởng đến các quá trình hệ sinh thái quan trọng, bao gồm mô hình và quá trình lắng đọng trầm tích, thành phần và mô hình không gian của thảm thực vật, cũng như sự nạp và xử lý dưỡng chất. Chúng tôi cung cấp bằng chứng mới về sự hình thành các cánh đồng hải ly không đồng nhất trên các đồng bằng lũ và bậc thang hệ thống sông, nơi mà dòng chảy động có khả năng làm vỡ đập hải ly trong lòng sông. Dữ liệu của chúng tôi cho thấy một đập hải ly cao 1,7 m đã kích hoạt lũ vượt bờ gây ngập úng thảm thực vật ở những khu vực bị ngập nặng, lắng đọng trầm tích giàu dinh dưỡng theo một cách không đồng nhất trên đồng bằng lũ và bậc thang, và đã xói mòn đất ở những khu vực khác. Khu vực này nhanh chóng được thoát nước sau khi đập bị vỡ bởi dòng chảy mạnh, bảo vệ trầm tích đã lắng đọng khỏi sự tái huy động trong các trận lũ vượt bờ trong tương lai. Trầm tích trần, không được bao phủ do xói mòn hoặc lắng đọng bởi lũ hải ly, nhanh chóng được một cộng đồng thực vật không đồng nhất về không gian chiếm lĩnh, hình thành một cánh đồng hải ly. Nhiều cây willows và một số cây aspen con đã phát triển trong những khu vực bị xáo trộn nặng nề, gợi ý rằng khu vực này có thể tiến hóa thành một cộng đồng thực vật sẽ thích hợp cho sự tái xuất hiện của hải ly trong tương lai. Chúng tôi mở rộng lý thuyết hiện có vượt ra ngoài ao hải ly để bao gồm các bậc thang bên trong các thung lũng. Điều này giải thích một cách đầy đủ hơn về cách mà hải ly có thể giúp định hình sự hình thành của các thung lũng bồi tích và các mô hình thực vật phức tạp của chúng như đã được Ruedemann và Schoonmaker giả thuyết lần đầu vào năm 1938. Bản quyền © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Các mô hình đập của hải ly (BDA) được thiết kế để mô phỏng các chức năng sinh thái thủy văn tự nhiên của đập hải ly, bao gồm việc điều chỉnh thủy văn của dòng suối và tăng cường khả năng kết nối thủy văn giữa dòng suối và khu vực ven bờ. Các chuyên gia phục hồi sông đang chủ động triển khai BDA trong hàng nghìn dòng suối bị suy thoái. Cách mà các BDA khác nhau hoặc cấu hình của chúng ảnh hưởng đến thủy văn của dòng suối và bàn nước ven bờ vẫn chưa được hiểu rõ. Chúng tôi đã nghiên cứu ba loại cấu hình BDA (đơn, đôi và ba) tại một dòng suối được cấp nước từ suối ở dãy núi Rocky Canada trong ba mùa nghiên cứu (tháng 4–tháng 10; 2017–2019). Cả ba cấu hình BDA đều làm tăng đáng kể mức nước ở thượng lưu. Hố sâu nhất xuất hiện ở phía thượng lưu của các BDA cấu hình ba (0,46 m) và hố nông nhất xuất hiện ở phía thượng lưu của cấu hình đơn (0,36 m). Hơn nữa, cấu hình BDA đơn đã làm giảm mức nước và đỉnh dòng chảy bên dưới nó nhưng lại làm tăng dòng chảy thấp. Cấu hình BDA đôi đã điều chỉnh các đỉnh dòng chảy nhưng gần như không ảnh hưởng đến các dòng chảy thấp. Điều bất ngờ là, các đỉnh dòng chảy cao hơn và dòng chảy thấp hơn được ghi nhận dưới cấu hình BDA ba, do sự rò rỉ của nước ngầm. Tương tự như chức năng của đập hải ly tự nhiên, chúng tôi ghi nhận một sự gia tăng ngay lập tức của bàn nước trong khu vực ven bờ sau khi lắp đặt các BDA. Mức nước gia tăng nhiều nhất cách dòng suối 2 m (0,14 m) và giảm dần khi khoảng cách bên hông từ dòng suối tăng lên. Cũng lưu ý rằng có sự đảo ngược trong hướng chảy giữa dòng suối và khu vực ven bờ sau khi lắp đặt BDA. Nghiên cứu trong tương lai nên khám phá thêm các động lực kết nối thủy văn giữa dòng suối và khu vực ven bờ dưới các cấu hình và khoảng cách BDA khác nhau, với mục tiêu xác định các phương pháp tốt nhất để mô phỏng các chức năng sinh thái thủy văn của các đập hải ly tự nhiên.

Các phương pháp phục hồi dòng chảy thường đánh giá sự suy thoái habitat, và do đó mục tiêu phục hồi, dựa trên các chỉ số habitat thủy sinh dựa trên một loạt hẹp các nhu cầu loài (ví dụ: cá hồi và cá hồi trứng), cũng như các mô hình tiến hóa dòng chảy và các công cụ thiết kế kênh thiên lệch hướng về các mẫu kênh đơn luồng, và "cân bằng trầm tích". Mặc dù chiến lược này nâng cao nhu cầu habitat được cảm nhận, nhưng nó thường không xác định chính xác các quá trình địa hình và sinh thái cơ bản hạn chế sự phục hồi của loài và phục hồi hệ sinh thái. Trong bài báo này, một phương pháp phục hồi dựa trên quy trình độc đáo được trình bày nhằm mục tiêu phục hồi các hệ thống dòng chảy, sông, hoặc đồng cỏ bị suy thoái trở về điều kiện trước khi tác động. Phương pháp thiết kế Đường Dốc Địa Hình (GGL) tương đối đơn giản được đề xuất dựa trên Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) và các phân tích từ thực địa, cũng như việc phát triển các bản thiết kế sử dụng các mô hình độ cao tương đối để lộ ra bề mặt thung lũng còn lại trước khi bị quấy rối. Một số nghiên cứu trường hợp được trình bày để mô tả sự phát triển của phương pháp GGL và minh họa cách phương pháp GGL đánh giá bề mặt thung lũng đã được áp dụng cho thiết kế phục hồi Giai đoạn 0. Bài báo cũng tóm tắt tính khả dụng rộng rãi của phương pháp GGL, những lợi ích và hạn chế của phương pháp, và các yếu tố cần cân nhắc chính cho các nhà thiết kế tương lai của các hệ thống Giai đoạn 0 ở bất kỳ đâu trên thế giới. Bằng cách trình bày công việc phục hồi Giai đoạn 0 đang diễn ra này, các tác giả hy vọng sẽ truyền cảm hứng cho các chuyên gia khác để chấp nhận việc phục hồi động lực và sự đa dạng thông qua việc phục hồi các quá trình tạo ra các hệ thống sông nhiều mặt cung cấp tính bền vững lâu dài, meta-ổn định, môi trường sống lớn hơn, phức tạp hơn và đa dạng hơn, cùng với lợi ích hệ sinh thái tối ưu.

Sự hứng thú trong việc sử dụng các mô hình đập lửng (BDA) để phục hồi các kênh rạch bị cắt xén và hành lang ven sông đang ngày càng gia tăng. BDA được kỳ vọng sẽ tạo ra phản ứng kênh tương tự như đập lửng tự nhiên bằng cách khiến lòng kênh nâng lên và nước tràn, từ đó nâng cao mực nước ngầm và hỗ trợ sự phát triển của thực vật. Tuy nhiên, việc thiếu kinh phí cho các dự án giám sát sau phục hồi đã hạn chế nghiên cứu về việc liệu BDA có thực sự gây ra sự thay đổi kênh như mong đợi ở Front Range và nơi khác hay không. Phản ứng địa hình và thủy văn đối với BDA đã được giám sát tại hai lưu vực 1 năm sau phục hồi. BDA đã được nghiên cứu tại Fish Creek, một vùng lưu vực miền núi dốc, và Campbell Creek, một vùng lưu vực phía đồng bằng có độ dốc thấp từ tháng 5 đến tháng 10 năm 2018. Tại mỗi vị trí phục hồi, các BDA gần nhất ở đầu nguồn và cuối nguồn được chọn để nghiên cứu sâu hơn so với các đoạn tham chiếu không phục hồi. Việc giám sát tập trung vào việc định lượng khối lượng trầm tích trong các ao BDA và ghi lại sự thay đổi mực nước dòng chảy và nước ngầm ven sông. Mặc dù có sự khác biệt trong các đặc trưng lưu vực vật lý, các ao BDA tại cả hai địa điểm lưu trữ khối lượng trầm tích tương tự và lưu trữ nhiều trầm tích hơn so với các ao tham chiếu. Lưu trữ trầm tích có mối tương quan dương với chiều cao BDA và diện tích bề mặt ao. Tuy nhiên, BDA không có ảnh hưởng đáng kể đến nước ngầm nông. Sự thiếu phản ứng nước ngầm gần các BDA có thể chỉ ra rằng các yếu tố lưu vực địa phương có ảnh hưởng mạnh mẽ hơn đến phản ứng nước ngầm so với thiết kế phục hồi 1 năm sau phục hồi. Cần có những nghiên cứu hệ thống, dài hạn về phản ứng của kênh rạch và vùng ngập lũ đối với BDA để hiểu rõ hơn về cách mà BDA sẽ ảnh hưởng đến địa hình và thủy văn.

Sự phát triển và sự chiếm ưu thế của vi khuẩn lam Anabaena circinalis trong các hồ đập của sông Barwon–Darling, Australia, liên quan đến sự phân tầng nhiệt độ theo chiều dọc ổn định giữa tháng 10 và tháng 3, khi lưu lượng nước ở mức thấp. Chúng tôi đã xác định vận tốc và lưu lượng nước cần thiết để ức chế sự hình thành bùng phát tại ba địa điểm, và mô hình hóa sự xuất hiện của lưu lượng nước dưới ngưỡng để dự đoán tần suất bùng phát trong các kịch bản quản lý khác nhau. Mô hình của chúng tôi cho thấy rằng tần suất bùng phát khoảng gấp đôi mức dự kiến dưới lưu lượng nước gần như tự nhiên (không có đập lớn hoặc khai thác nước) cho giai đoạn 1990–2000. Quản lý dòng chảy, thông qua các Quy định về Nước Môi trường giới hạn việc khai thác nước khi mức nước sông thấp, đã được thực hiện từ tháng 7 năm 2000. Mô hình của chúng tôi cho rằng những quy định này không có khả năng gây ảnh hưởng đến tần suất bùng phát trong giai đoạn 2000–2003. Tuy nhiên, về lâu dài, chúng có thể giảm tần suất bùng phát ở một số địa điểm lên đến một phần ba. Bản quyền © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

Sự nở hoa của vi khuẩn lam đang gây ra những vấn đề nghiêm trọng về chất lượng nước trên toàn thế giới. Quản lý dòng chảy được coi là một trong những phương pháp hứa hẹn nhất để giải quyết vấn đề nở hoa vi khuẩn lam ở các dòng sông. Trong bài báo này, một phương pháp mới để đánh giá hiệu quả của các chiến lược quản lý dòng chảy trong việc giảm thiểu nguy cơ nở hoa vi khuẩn lam đã được phát triển và áp dụng cho sông Murray tại Morgan, Nam Úc. Vì sự phân lớp đã được chứng minh là điều kiện cần thiết cho sự phát triển mạnh của một số loài vi khuẩn lam, phương pháp này sử dụng ước tính về xác suất mà các sự kiện phân lớp có các khoảng thời gian khác nhau sẽ xảy ra cùng với ước tính về sự phát triển quần thể trong điều kiện phân lớp để xác định xác suất xảy ra của các vụ nở hoa có cường độ khác nhau. Kết quả của nghiên cứu trường hợp chỉ ra rằng xác suất xảy ra các vụ nở hoa của loài vi khuẩn lam Anabaena circinalis vượt quá 15 000 cells/ml trong bất kỳ năm nào dưới điều kiện dòng chảy mùa hè là 11,7%, điều này hoàn toàn phù hợp với các kết quả thu được bằng cách áp dụng phương pháp Poisson–Bayesian cho 17 năm dữ liệu lịch sử về mật độ tế bào của Anabaena circinalis tại địa điểm nghiên cứu. Các kết quả cũng chỉ ra rằng việc tăng lượng nước vào Nam Úc thêm 10 000 Ml/ngày, đây là mức tăng tối đa có thể đạt được trong điều kiện vận hành hiện tại, sẽ không có tác động đáng kể đến sự xuất hiện của các vụ nở hoa vượt quá 15 000 cells/ml. Một lượng dòng chảy bổ sung là 19 900 Ml/ngày vào Nam Úc sẽ cần thiết để giảm xác suất xảy ra các vụ nở hoa vượt quá 15 000 cells/ml xuống 0,01%. Bản quyền © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.

Sự tương tác giữa xói mòn và lắng đọng là những đặc điểm cơ bản của các lưu vực sông. Những quá trình này dẫn đến việc cung cấp, giữ lại và vận chuyển trầm tích qua các hệ thống sông. Mặc dù việc cung cấp trầm tích cho các sông là một hiện tượng tự nhiên, nhưng trong những năm gần đây, đã có sự lo ngại gia tăng về việc gia tăng tải lượng trầm tích do các hoạt động nhân tạo. Sự hiện diện của thực vật đại tràn trong các kênh sông có xu hướng tăng cường khả năng giữ lại trầm tích mịn dẫn đến những thay đổi trong thành phần đáy sông. Tuy nhiên, có một mối quan hệ phức tạp giữa thực vật đại tràn và trầm tích mịn: thực vật đại tràn ảnh hưởng đến việc vận chuyển trầm tích mịn và ngược lại, cũng bị ảnh hưởng bởi tải trọng trầm tích. Bài tổng quan này đề cập đến hai tác động tương hỗ này và đặc biệt tóm tắt các bằng chứng có sẵn về tác động của trầm tích mịn đến thực vật đại tràn. Việc gia tăng nồng độ trầm tích mịn dường như có cả tác động trực tiếp và gián tiếp đến cộng đồng thực vật đại tràn, làm thay đổi độ sẵn có ánh sáng, cấu trúc và chất lượng của đáy sông. Bản chất của những tác động này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ lắng đọng và bản chất của vật liệu được lắng đọng. Những thay đổi trong thành phần cộng đồng thực vật đại tràn có thể xảy ra khi vật liệu được lắng đọng có hàm lượng dinh dưỡng cao hơn so với đáy sông tự nhiên. Nhiều sự thay đổi trong thực vật đại tràn xảy ra với lượng trầm tích mịn gia tăng có khả năng giống như những gì xảy ra với sự gia tăng độ sẵn có của các chất dinh dưỡng hòa tan. Nếu những nỗ lực quản lý đầu vào chất dinh dưỡng cho các dòng sông muốn đạt được mục tiêu của chúng, thì điều quan trọng là phải xem xét động lực học và sự chuyển giao dinh dưỡng liên quan đến trầm tích mịn. Bản quyền © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Việc sử dụng bền vững tài nguyên nước đòi hỏi có hướng dẫn rõ ràng về việc quản lý lượng ô nhiễm lan tỏa từ các nguồn nước vào sông. Nếu không có hướng dẫn thông tin, các quyết định quản lý sẽ ít khả năng mang lại những cải thiện hiệu quả về chi phí cho chất lượng nước sông như yêu cầu của chính sách nước hiện hành. Trong bài viết này, chúng tôi xem xét các bằng chứng có sẵn để đưa ra các hướng dẫn cải thiện về lượng trầm tích mịn vào các con sông dựa trên tác động đến động vật không xương sống lớn (macro‐invertebrates). Mối quan hệ giữa động vật không xương sống lớn và trầm tích mịn được định nghĩa chưa rõ ràng. Các nghiên cứu về tác động của trầm tích mịn lên động vật không xương sống lớn đã được tiến hành ở nhiều quy mô khác nhau, điều này ảnh hưởng đến các phản ứng được biểu hiện và độ tin cậy của các kết quả thu được; các kết quả từ các cuộc điều tra ở quy mô nhỏ hơn có thể không hiện rõ ở quy mô cần thiết để quản lý các dòng sông và ngược lại. Nhiều hiệu ứng đã được xác định của việc tăng cường lượng trầm tích mịn lên động vật không xương sống lớn xảy ra do sự lắng đọng trên đáy sông, nhưng nhiều hướng dẫn quản lý hiện tại dựa trên các mục tiêu trầm tích lơ lửng. Dựa trên cơ sở này, các hướng dẫn hiện có về chất lượng nước cho quản lý trầm tích khó có thể phù hợp. Bản quyền © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.